Problemas de comprensión con amplificadores operacionales

Los opamps típicos tienen ganancias de CD en la región de 10 ^ 5 a 10 ^ 6. Esto significa que si la salida está dentro de los rieles, digamos 0 a 5v, o +/- 15v, entonces la entrada se medirá en microvoltios.

Como usted dice, esto es lo suficientemente cercano a cero para que se considere cero para muchos propósitos.

Uno de los propósitos para los cuales la entrada = 0v es una aproximación lo suficientemente buena es cuando se resuelve la ganancia de CC de un amplificador realimentado. Por lo general, varias resistencias extraerán la corriente de los voltajes de entrada y salida medidos en voltios y sumarán sus corrientes en uno de los terminales de entrada del amplificador. Si ese terminal tiene un voltaje de 0 uV o 10 uV, es irrelevante para la mayoría de los propósitos, ya que el error es partes por millón.

Normalmente, los errores de desplazamiento de entrada del amplificador se medirán en mV, por lo que para sistemas precisos, debemos preocuparnos por las compensaciones de entrada mucho antes de que tengamos que preocuparnos por si el voltaje de entrada es realmente cero o no.

Para un opamp ideal , donde la ganancia es infinita, entonces el voltaje de entrada es cero, teóricamente.

Primero, un amplificador operacional clásico amplifica la DIFERENCIA en los voltajes en los terminales + y -.

Primero y medio, un amplificador operacional tiene una ganancia de voltaje MUY alta.

En segundo lugar, cada circuito lineal que utiliza un amplificador operacional proporciona una ruta de retroalimentación desde la salida hasta la - entrada.

Esto crea un bucle de control, donde todo el punto de la ruta de realimentación es llevar la diferencia entre las dos entradas a cero. En operación normal, el amplificador operacional en el circuito activa la diferencia a cero. Para el análisis del circuito, entonces, generalmente es lo suficientemente bueno como para suponer que la diferencia es cero.

Comience con la etapa de búfer no inversor clásica, donde la entrada se alimenta a la entrada + y la salida se vincula a la entrada -. El único valor de salida que producirá una diferencia de cero es Vout = V + (el voltaje en la entrada +).

Considere el búfer inversor clásico de ganancia unitaria, donde la entrada + está conectada a tierra, la señal se aplica a través de una resistencia a la entrada, y una resistencia igual vincula la entrada a la salida. El amplificador operacional intentará llevar la entrada al suelo. Si la señal de entrada está sobre el suelo, la corriente debe fluir en la resistencia de entrada e intentar fluir hacia la entrada. Esto induciría un voltaje de compensación a través de la impedancia de entrada del amplificador operacional, que se amplifica mediante el amplificador operacional, y eso da lugar a un voltaje de salida, que a su vez da lugar a la corriente a través de la resistencia de realimentación. Si la corriente en la resistencia de entrada es igual a la corriente en la resistencia de realimentación, entonces no queda ninguna corriente para inducir un voltaje de compensación en la entrada, y el amplificador está contento.

Todos los cálculos no se basan en una tensión de entrada diferencial cero, solo cálculos aproximados. Por lo general, es una buena aproximación a CC si el amplificador operacional es un tipo de precisión (alta ganancia, bajo voltaje de compensación de entrada y baja corriente de polarización de entrada y corriente de compensación relativa a los valores de resistencia). A menudo es menor que el voltaje de compensación de entrada (sin embargo, por lo general no con los tipos de 'deriva cero').

Sin embargo, si desea tener en cuenta la ganancia finita de amplificador operacional de bucle abierto (y para el voltaje de compensación y CMRR) necesita hacer un cálculo un poco más complejo, y en cualquier caso, debe tener en cuenta que El voltaje de entrada diferencial es solo aproximadamente cero.

Dado que la ganancia en bucle abierto disminuye con la frecuencia (generalmente a -20dB / década por encima de 10Hz), no es difícil tener un error significativo de ganancia en bucle cerrado en frecuencias más altas, especialmente si tiene una frecuencia más alta y / o Mayor ganancia ideal en bucle cerrado.

  

En todas partes, aquí, en los libros de texto, o en Internet, los datos matemáticos   Los cálculos se basan en el hecho de que el voltaje en la inversión y   Los terminales no inversores son exactamente iguales entre sí, por lo que    conceptualmente , deberíamos tener un voltaje de salida cero, y esa no es la   Punto, porque este circuito no va a amplificar nada.

Si está hablando conceptualmente (su palabra), considere el concepto de un amplificador operacional ideal con ganancia infinita, que puede convertir 0 voltios en un valor que sea útil para usar en este Ejercicio más bien teórico.

También me tomó un tiempo envolver mi cabeza.

La mejor forma que encontré para verlo fue mirar un simple amplificador inversor:

Laformaestándarderesolverestecircuitoesasumirque+y-sonlosmismos(enestecaso,GND)ydarlagananciainfinitaopamp.Elijaalgunosvaloresytrabajeamano.

Luegohazloquesugierasyutilizaunamplificadoroperacionalreal.Diríjasea CircuitLab y simule el mismo circuito utilizando un opamp del mundo real como un 741 o algo así.

Note lo similares que son los dos resultados. Una vez que lo veas por ti mismo de esa manera, entenderás por qué funciona la aproximación.

Sí, hay una pequeña diferencia entre los terminales + y -, pero es tan pequeño que básicamente se puede decir que es un corto por el simple hecho de hacer sus cálculos rápidos. Usted ve esto mucho en EE. Un atajo computacional que te permite hacer cálculos matemáticos a menudo no describe la física de lo que está sucediendo exactamente.

La diferencia cero entre las entradas del amplificador operacional es una suposición que es útil para realizar un análisis básico de un circuito de amplificador operacional y para lograr una comprensión útil de la operación del circuito. En realidad, siempre hay una diferencia de voltaje entre las entradas. Si existiera una situación en la que las entradas tienen exactamente el mismo voltaje, entonces, como se vio, no habría corriente fuera del amplificador diferencial de la etapa de entrada, no habría corriente en la base de la etapa del controlador de salida y, por lo tanto, la tensión de salida comenzaría a cambiar, pero no tendría que cambiar muy lejos antes de que la retroalimentación causara una pequeña diferencia de voltaje en la entrada que se amplifica por la etapa de entrada diferencial y la etapa de amplificación de voltaje que evita que la salida cambie más. La salida se ha estabilizado con una pequeña diferencia de voltaje en la entrada. Si la salida aumenta, la diferencia de entrada aumenta y activa el controlador de salida, si disminuye, la diferencia de entrada disminuye, el controlador de salida reduce la unidad y la salida aumenta. La salida se ha estabilizado. La salida ha llegado a descansar con un pequeño error. Cuanto mayor sea la ganancia de bucle abierto del amplificador operacional, menor será este error y menor será la diferencia entre las entradas. Los amplificadores operacionales de precisión tienen una alta ganancia.

La descripción anterior es para DC. La situación para AC es un poco diferente. Para CA, a medida que la entrada al circuito se mueve hacia arriba y hacia abajo, una entrada de amplificador operacional oscilará alrededor de la otra entrada, lo que provocará una diferencia en el voltaje de diferencia en las entradas. La amplitud de la tensión de diferencia de entrada depende de la frecuencia. A medida que aumenta la frecuencia, la ganancia de bucle abierto se reduce debido a la compensación del polo dominante causada por el capacitor del molinero alrededor de la etapa del controlador de salida. A medida que se reduce la ganancia de bucle abierto, debe haber un "error" mayor en la salida para crear una diferencia de voltaje mayor en las entradas. Para la operación de CC, este error en la salida es en realidad un error, pero para la operación de CA el error en la salida es un retraso de fase. Entonces, a medida que aumenta la frecuencia, la ganancia de bucle abierto se reduce y el retardo de la fase de salida aumenta, aumentando a 45 grados en la frecuencia de -3dB. En este punto, la diferencia entre las entradas puede ser bastante grande. Recuerde que la salida del amplificador operacional está determinada en gran medida por la ganancia de bucle cerrado determinada por la red de resistencias alrededor del amplificador operacional. Pero la diferencia de voltaje en la entrada está determinada por la ganancia de bucle abierto. La amplitud de la tensión en la salida es igual a la amplitud de la señal de diferencia de tensión de entrada multiplicada por la ganancia de bucle abierto.